Modélisation numérique du revêtement d'isolation thermique de canalisations pétrolières sous-marines

Numerical modelling of wet insulation coating for subsea pipelines

• Auteur / Autrice : Théophile Hourdou
• Direction : Lucien Laiarinandrasana, Alain Thionnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Moussa Naït Abdelaziz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucien Laiarinandrasana, Alain Thionnet, Vincent Le Saux, Frédéric Addiego, Agathe Robisson, Sébastien Blassiau, Cristian Ovalle Rodas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Vincent Le Saux, Frédéric Addiego

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolation thermique

Méthodes d'homogénéisation numérique

Éléments finis, Méthode des

Cavitation

Tomographie en océanographie

Polymères

Mots clés libres

Polymères

Mousse syntactique

Tomographie

Cavitation

Calcul par éléments finis

Modélisation multi-Échelles

Contrainte multiaxiale

Modèles poreux élasto-vitoplastiques

Homogénéisation

Polymers

Syntacic foams

Tomography

Cavitation

Finite-Element analysis

Multi-Scale modelling

Multi-axial stress

Porous elastoviscoplastic

Homogenization

Résumé

L'installation de conduites pétrolières par la méthode de dépose en déroulé induit une flexion qui entraîne la rupture brutale de leur revêtement d'isolation thermique.Le matériau critique du revêtement est une mousse syntactique de polypropylène. Cette étude consiste à caractériser la réponse et la rupture de ce matériau sous divers états de contrainte. L'évolution de sa microstructure a été suivie emph{in-situ} en cours de déformation grâce à de la tomographie au synchrotron. Les mécanismes de décohésion sphères-matrice suivis de la coalescence avec les craquelures dans la matrice ont été mis en évidence pour amener à la rupture du matériau. Ces mécanismes ont été pris en compte dans la modélisation du comportement mécanique par une loi de comportement élasto-viscoplastique ajoutée de la porosité comme variable interne. Une modélisation fine par un procédé multi-échelles a permis de simuler l'évolution de la microstructure en lien avec une réponse macroscopique cohérente avec les données expérimentales. Les simulations numériques d'essais de laboratoire ont été utilisées pour identifier le maximum de la plus grande contrainte principale comme paramètre de chargement qui permet de localiser l'amorçage de la fissure. Des diagrammes associant ce paramètre de chargement à la vitesse de déformation locale ont été établie, selon la température d'essai. Ces diagrammes ont ensuite été comparés, avec succès, aux données issues d'essais de flexion sur tubes où le revêtement a rompu. Ainsi , la transférabilité des résultats des éprouvettes de laboratoire aux structures industrielles a donc été validée.

The installation of oil&gaz pipelines using the reel-lay method induces bending which leads to a rapid cracking of their thermal insulation coating.The critical coating material consists of a syntactic glass polypropylene foam.This study deals with a comprehensive characterization of the mechanical response and the failure of this material under various stress conditions.The evolution of its microstructure was observed thanks to emph{in-situ} tensile tests using synchrotron tomography.The mechanisms of decohesion of microsphere-matrix, followed by coalescence with crazes in the matrix were highlighted, leading to the failure of the material.These mechanisms were taken into account in the constitutive relationships using an elasto-viscoplastic model with porosity added as an internal variable.Fine modelling using a multi-scale process was used to simulate the evolution of the microstructure in relation to the macroscopic response, which was consistentwith experimental data.Numerical simulations of laboratory tests were used to identify the maximum of the largest principal stress as a load parameter allowing the localization of the crack initiation.Temperature dependent diagrams associating this load parameter with the local strain rate were established.These latter diagrams were then successfully compared with data from bending tests on tubes where the coating had failed.The transferability of the results from laboratory tests to engineering structures was therefore validated.